慶應義塾研究者情報データベース

その他の所属・職名 【 表示 ／ 非表示 】

その他の所属・職名 【 表示 ／ 非表示 】

• 理化学研究所, 計算宇宙物理研究室, 客員研究員

経歴 【 表示 ／ 非表示 】

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• 2009年

  - Keio University KLL Research Associate

• 2009年

  - University of Electro-Communications Assistant Professor

• 2009年04月

  -

  継続中

  理化学研究所, 計算宇宙物理研究室, 客員研究員

• 2009年04月

  -

  2010年03月

  電気通信大学, 電気通信学部 知能機械工学科, 助教

• 2009年04月

  -

  2019年03月

  慶應義塾大学, 先端科学技術センター, 研究員

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学歴 【 表示 ／ 非表示 】

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• 2000年04月

  -

  2004年03月

  慶應義塾大学, 理工学部, 機械工学科

  大学, 卒業

• 2004年04月

  -

  2006年03月

  慶應義塾大学, 開放環境科学専攻, 環境資源エネルギー科学専修

  大学院, 修了, 修士

• 2006年04月

  -

  2009年03月

  慶應義塾大学, 開放環境科学専攻, 環境資源エネルギー科学専修

学位 【 表示 ／ 非表示 】

学位 【 表示 ／ 非表示 】

• 博士（工学）, 慶應義塾大学, 課程, 2009年03月

  散逸粒子動力学法を用いた界面活性剤水溶液の自己組織化の解明および高効率ナノ モーターシステムの設計・開発

免許・資格 【 表示 ／ 非表示 】

免許・資格 【 表示 ／ 非表示 】

• 普通自動車第一種運転免許, 2000年09月

• 初級システムアドミニストレータ資格, 2000年11月

研究分野 【 表示 ／ 非表示 】

研究分野 【 表示 ／ 非表示 】

• ものづくり技術（機械・電気電子・化学工学） / 熱工学 （マイクロ・ナノ工学）

• ナノテク・材料 / ナノ材料科学 （ミセル，ベシクル，ラメラ，2分子膜）

• ナノテク・材料 / ナノマイクロシステム （アクティブマター，分子モーター，ナノポンプ）

• ナノテク・材料 / 高分子材料 （高分子，界面活性剤，液晶，コロイド，エマルション）

研究キーワード 【 表示 ／ 非表示 】

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• ソフトマター

• ナノ空間

• 分子シミュレーション

• 散逸粒子動力学法

• 機械学習

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研究テーマ 【 表示 ／ 非表示 】

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• 分子シミュレーションと機械学習を組み合わせた材料開発の深化, 

  2017年

  -

  継続中

  　研究概要を見る

  様々な高分子材料の振る舞いを分子シミュレーションで再現し，得られた結果と機械学習を組み合わせることで，高効率な材料設計や未踏の物性の実現に挑戦する．

• 分子シミュレーションによる生体機能の解明とナノマシンの設計, 

  2007年

  -

  継続中

  　研究概要を見る

  生体膜や分子モーターなど生体内における機能性を分子シミュレーションで再現し，その本質を抽出することであらたなナノマシンの設計を行う．

• 分子シミュレーションによる機能性材料のメカニズム発現の解明, 

  2005年

  -

  継続中

  　研究概要を見る

  様々な機能性材料（高分子材料，界面活性剤材料，液晶材料など）の振る舞いを分子シミュレーション手法によって再現し，その機能性が発現するメカニズムを解明する．

共同研究希望テーマ 【 表示 ／ 非表示 】

共同研究希望テーマ 【 表示 ／ 非表示 】

• 機能性材料の設計に関する分子シミュレーションや機械学習

  産学連携、民間を含む他機関等との共同研究等を希望する,  希望形態： 受託研究, 共同研究

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  材料内部を分子シミュレーションで可視化し，物性や機能性に対する分子論的な起源を明らかにすることに挑戦します．場合によっては，得られた結果を機械学習と組み合わせ，材料開発の効率化を検討します．

• 機能性材料の設計に関する分子シミュレーションや機械学習

  大学等の研究機関との共同研究を希望する,  希望形態： 共同研究

  　概要を見る

  実験とシミュレーションが相補的な課題を設定し，ソフトマターの持つ優れた物性や機能性の分子論的な起源を明らかにするとともに，新しい材料の創出を目指します．

著書 【 表示 ／ 非表示 】

著書 【 表示 ／ 非表示 】

• 実験の自動化・自律化によるR&Dの効率化と運用方法

  荒井規允　他, 技術情報協会, 2023年01月,  ページ数： 545

  担当範囲: 第7章第5節 AIと分子シミュレーションを組み合わせたソフトマター材料の物性予測と開発効率化 , 査読有り

• 高分子材料の事典

  荒井規允　他, 朝倉書店（高分子学会編集）, 2022年11月,  ページ数： 630

  担当範囲: 第5章3節: 散逸粒子動力学シミュレーション,  担当ページ： 第5章3節: 散逸粒子動力学シミュレーション , 査読有り

• 化学便覧 基礎編 改訂6版

  荒井規允，泰岡顕治　他, 丸善出版, 2021年01月,  ページ数： 1534

  担当範囲: 17.1.3 分子シミュレーション i.粗視化ポテンシャル , 査読有り

• データ分析の進め方及びAI・機械学習導入の指南 ～データ収集・前処理・分析・評価結果の実務レベル対応～

  荒井規允　他, 情報機構, 2020年07月,  ページ数： 390

  担当ページ： 第5章第4節第1項 ＡＩと分子シミュレーションを用いた材料物性の予測 , 査読有り

• 界面活性剤の選び方、使い方事例集

  荒井規允, 技術情報協会, 2019年07月,  ページ数： 586

  担当範囲: 第2章 第9節「AIによる界面活性剤の性質予測」 , 査読有り

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論文 【 表示 ／ 非表示 】

論文 【 表示 ／ 非表示 】

• Molecular modelling of active oil droplet propulsion: Insights from dissipative particle dynamics simulation

  Sasaki, K; Ishiwatari, Y; Ueno, K; Kojima, T; Banno, T; Arai, N

  CHEMICAL PHYSICS LETTERS 857 2024年12月

  研究論文（学術雑誌）, 最終著者, 査読有り,  ISSN  0009-2614

  　概要を見る

  This study employed dissipative particle dynamics (DPD) simulations to investigate the self-propelled motion of oil droplets in water–oil–surfactant systems. It is the first attempt to replicate self-propulsion models of oil droplets at the molecular level, contrasting previous simulations focused on Brownian motion and hydrodynamic behaviour of colloidal particles. The DPD model reproduced droplet propulsion and visualised internal Marangoni flow, showing that larger droplet radii and greater interfacial tension differences increase propulsion speeds. Additionally, surfactants with stronger oil–oil repulsion enhanced propulsion speed, suggesting that surfactant-induced local structures are crucial for the self-propulsion mechanism.

  • Access to Document (DOI)

• Corrigendum to “Poly(vinyl alcohol)-modified poly(methyl methacrylate) particles for solid-stabilized oil-in-water emulsions” [Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 697 (2024) 134433]

  Takashi Yamazaki, Kojiro Suzuki, Yusei Kobayashi, Noriyoshi Arai, Toshikazu Tsuji

  Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects （Elsevier BV）     135683 - 135683 2024年11月

  研究論文（学術雑誌）, 査読有り,  ISSN  0927-7757

  • Access to Document (DOI)

• Poly(vinyl alcohol)-modified poly(methyl methacrylate) particles for solid-stabilized oil-in-water emulsions

  Yamazaki, T; Suzuki, K; Kobayashi, Y; Arai, N; Tsuji, T

  COLLOIDS AND SURFACES A-PHYSICOCHEMICAL AND ENGINEERING ASPECTS （Elsevier BV）  697   134433 - 134433 2024年09月

  研究論文（学術雑誌）, 査読有り,  ISSN  0927-7757

  　概要を見る

  In this study, submicron poly(methyl methacrylate) (PMMA) particles with surfaces modified using poly(vinyl alcohol) (PVA) (PMMA-PVA) were produced to formulate solid-stabilized oil-in-water (O/W) emulsions including high internal phase emulsions with a dispersed phase of over 74 %. The high-internal phase emulsions stabilized by PMMA–PVA exhibited gel-like behavior, and the oil droplets exhibited faceted shapes. PVA with a degree of saponification of 80 and 88 mol% was used as the surface modifier rather than PVA with > 96 mol%, assisting in the formation of a robust adsorbed layer on the PMMA particles. Coarse-grained molecular simulations revealed that the partially-hydrolyzed PVA exhibited a better adsorption behavior compared to the fully-hydrolyzed PVA, being thermodynamically adsorbed onto the PMMA surface in water owing to stable adsorption via its hydrophobic acetyl groups. Furthermore, PMMA–PVA reduced the interfacial tension as the degree of saponification of PVA decreased. Simulation and experimental results suggested that the acetyl groups of PVA not only adsorbed onto the PMMA surface but also promoted adsorption between PMMA and the oil–water interface. Overall, the findings of this study underscore the potency of PMMA–PVA as a particulate stabilizer for formulating O/W high internal phase emulsions.

  • Access to Document (DOI)

• Coarse-grained molecular simulation of the effect of liquid crystal molecular pitch on structure in cylindrical confinement

  Sato, T; Tsujinoue, H; Arai, N; Takahashi, KZ

  PHYSICAL REVIEW E 110 （ 1 ） 014701 2024年07月

  研究論文（学術雑誌）, 査読有り,  ISSN  2470-0045

  　概要を見る

  Blue phases (BPs) consist of three-dimensional self-assembled structures formed by a double-twisted columnar arrangement of liquid crystal molecules. Although their unique optical and structural properties render BPs particularly useful for applications such as liquid crystal displays, BPs typically appear in a narrow temperature range between the isotropic and nematic phases. This thermodynamic instability impedes their practical applicability. However, the simulations we present here showed that, in a quasi-one-dimensional system confined to nanospace, a phase equivalent to the BP appears and persists between the nematic and smectic phases. Confinement to a nanotube (NT) with a relatively small radius enables the BP to be maintained over a wide temperature range, whereas for an NT with a relatively larger radius, the BP appears only in a very narrow temperature range between the aforementioned phases. We additionally showed that the pitch of the BP is dependent on and can be controlled by adjusting the radius of the NTs. This finding has significant implications for the potential application of these materials in fields such as photonics and chiral separation technologies.

  • Access to Document (DOI)

• Design strategy for blends of biodegradable polyester and thermoplastic starch based on a molecular dynamics study of the phase-separated interface

  Yamaguchi, A; Arai, S; Arai, N

  CARBOHYDRATE POLYMERS （Carbohydrate Polymers）  333   122005 2024年06月

  研究論文（学術雑誌）, 最終著者, 査読有り,  ISSN  0144-8617

  　概要を見る

  Molecular insight into the phase-separated interface formed when biodegradable polyesters and thermoplastic starch (TPS) are melt-blended is valuable for the design of composites. In this study, eight different interfaces combining four major biodegradable polyesters (PLA, PBS, PHB and PBAT) and two TPSs [unmodified TPS (nTPS) and citrate-modified TPS (cTPS)] were investigated by using molecular dynamics (MD) simulations. According to the MD simulation results, PBS, PHB and PBAT diffuse readily into the TPS and form compatible interfaces, whereas PLA is less compatible with the TPS. The results of tensile simulations show that PBS and PBAT adhere well to TPS; in particular, PBS/cTPS and PBAT/cTPS exhibit high interfacial-fracture energy (G). Both PLA and PHB blended with TPS exhibit low G because PLA is less compatible with TPS and PHB and TPS have low electrostatic interaction. The reason for the high G of PBS/cTPS and PBAT/cTPS is thought to be a combination of three factors: (i) formation of a deep compatible interface, (ii) suppression of void growth by electrostatic interactions and (iii) absorption of strain energy by a change in the conformation of the molecular chains. These three interfacial adhesion mechanisms should be considered when designing biodegradable polyester/TPS blends with good mechanical properties.

  • Access to Document (DOI)

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KOARA（リポジトリ）収録論文等 【 表示 ／ 非表示 】

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• 熱スイッチ機能を有する熱輸送材料の設計と熱交換メカニズムの分子論的理解

  荒井, 規允

  学事振興資金研究成果実績報告書 （慶應義塾大学）  2019年

• 界面活性剤分子の自己集合によるトムズ効果メカニズムの分子論的解明

  荒井, 規允

  科学研究費補助金研究成果報告書 2019年

総説・解説等 【 表示 ／ 非表示 】

総説・解説等 【 表示 ／ 非表示 】

• Wetting hysteresis induces effective unidirectional water transport through a fluctuating nanochannel

  Arai Noriyoshi, Yamamoto Eiji, Koishi Takahiro, Hirano Yoshinori, Yasuoka Kenji, Ebisuzaki Toshikazu

  NANOSCALE HORIZONS （Nanoscale Horizons）  8 （ 5 ） 652 - 661 2022年04月

  ISSN  2055-6756

  　概要を見る

  We propose a water pump that actively transports water molecules through nanochannels. Spatially asymmetric noise fluctuations imposed on the channel radius cause unidirectional water flow without osmotic pressure, which can be attributed to hysteresis in the cyclic transition between the wetting/drying states. We show that the water transport depends on fluctuations, such as white, Brownian, and pink noises. Because of the high-frequency components in white noise, fast switching of open and closed states inhibits channel wetting. Conversely, pink and Brownian noises generate high-pass filtered net flow. Brownian fluctuation leads to a faster water transport rate, whereas pink noise has a higher capability to overcome pressure differences in the opposite direction. A trade-off relationship exists between the resonant frequency of the fluctuation and the flow amplification. The proposed pump can be considered as an analogy for the reversed Carnot cycle, which is the upper limit of the energy conversion efficiency.

  • Access to Document (DOI)

• Prediction of transport property via machine learning molecular movements

  Ikki Yasuda, Yusei Kobayashi, Katsuhiro Endo, Yoshihiro Hayakawa, Kazuhiko Fujiwara, Kuniaki Yajima, Noriyoshi Arai, Kenji Yasuoka

   2022年03月

  　概要を見る

  Molecular dynamics (MD) simulations are increasingly being combined with
  machine learning (ML) to predict material properties. The molecular
  configurations obtained from MD are represented by multiple features, such as
  thermodynamic properties, and are used as the ML input. However, to accurately
  find the input--output patterns, ML requires a sufficiently sized dataset that
  depends on the complexity of the ML model. Generating such a large dataset from
  MD simulations is not ideal because of their high computation cost. In this
  study, we present a simple supervised ML method to predict the transport
  properties of materials. To simplify the model, an unsupervised ML method
  obtains an efficient representation of molecular movements. This method was
  applied to predict the viscosity of lubricant molecules in confinement with
  shear flow. Furthermore, simplicity facilitates the interpretation of the model
  to understand the molecular mechanics of viscosity. We revealed two types of
  molecular mechanisms that contribute to low viscosity.

• 分子が関わる伝熱・熱工学 ナノ多孔質体に閉じ込められた物質の固液相転移現象と自己組織化現象

  金子敏宏, 荒井規允, 泰岡顕治

  伝熱 56 （ 236 ）  2017年

  ISSN  1344-8692

• Erratum: Self-assembly of Janus nanoparticles with a hydrophobic hemisphere in nanotubes (Soft Matter (2016) 12 (378-385))

  Kobayashi Y., Arai N.

  Soft Matter （Soft Matter）  12 （ 6 ） 1924 2016年

  ISSN  1744683X

  • Access to Document (DOI)

• C221 散逸粒子動力学シミュレーションによる二成分系液晶の相挙動及び構造の解析(OS-13:分子シミュレーション(2))

  西山 雄一郎, 荒井 規允

  熱工学コンファレンス講演論文集 （一般社団法人日本機械学会）  2015   "C221 - 1"-"C221-2" 2015年10月

  　概要を見る

  In this study, we carried out a dissipative particle dynamics simulation about two kind of the length liquid crystal molecules. In this simulation, we observed phases as a volume fraction of liquid crystal molecules as a parameter with temperature change. As a result, we found that a transition temperature from isotropic phase to nematic phase depends on the volume fraction.

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研究発表 【 表示 ／ 非表示 】

研究発表 【 表示 ／ 非表示 】

• A Effect of graft design of amphiphilic polymers on the stability of concentrated Pickering emulsions

  Kojiro Suzuki, Yusei Kobayashi, Takashi Yamazaki, Toshikazu Tsuji, Noriyoshi Arai

  38th Conference of the European Colloid & Interface Society （Copenhagen） , 

  2024年09月

  , 

  その他

• Biomimetic surfaces: Assessing free energy barrier using molecular simulation

  Fan Meng, Noriyoshi Arai

  38th Conference of the European Colloid & Interface Society （Copenhagen） , 

  2024年09月

  , 

  その他

• Prediction of self-assembly structures in multicomponent surfactant systems using graph convolution network

  Yuki Ishiwatari, Takahiro Yokoyama, Tomoya Kojima, Taisuke Banno, Noriyoshi Arai

  27th International Congress of Chemical and Process Engineering （Prague） , 

  2024年08月

  , 

  その他

• Quantitative analysis of mesoscale self-assembly structures using machine learning and molecular simulation

  Naoya Osato, Takeo Sudo, Satoki Ishiai, Yuki Ishiwatari, Takahiro Yokoyama, Kenji Yasuoka, Noriyoshi Arai

  27th International Congress of Chemical and Process Engineering （Prague） , 

  2024年08月

  , 

  その他

• Understanding molecular interactions at the adhesion interface between amorphous thermoplastic starch and biodegradable polyesters

  Akihiro Yamaguchi, Noriyoshi Arai

  27th International Congress of Chemical and Process Engineering （Prague） , 

  2024年08月

  , 

  その他

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競争的研究費の研究課題 【 表示 ／ 非表示 】

競争的研究費の研究課題 【 表示 ／ 非表示 】

• 熱伝導メカニズムの分子論的解明および熱伝導スイッチング材料の設計

  2019年11月

  -

  2020年10月

  住友財団, 基礎科学研究助成, 荒井 規允, 研究代表者

• 界面活性剤分子の自己集合によるトムズ効果メカニズムの分子論的解明

  2017年04月

  -

  2020年03月

  文部科学省・日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 荒井　規允, 若手研究（Ｂ）, 補助金,  研究代表者

  　研究概要を見る

  本年度は昨年度に開発した境界条件に密度勾配を与える方法のプログラムを使用し，実際に円管流れ下における界面活性剤水溶液の挙動を再現，解析を行った．トムズ効果に影響を与えるパラメータとして様々なものが知られているが，まずは界面活性剤分子が持つ炭素鎖の長さと，円管壁面の化学的性質の２つに着目して，流れの速度の影響を調べた．
  その結果，比較的炭素鎖の長さが短い場合，流れが遅い場合球状ミセルが形成されるが，流れの速度が増加するにつれて球状ミセル同士が衝突によって長い棒状・紐状のミセルへ成長し，粘度の減少が観察された．一方，炭素鎖が比較的長い場合，速度が遅いときには巨大な球状ミセルが形成され，粘度が流れの速度によらないニュートニアンのような振る舞いを示すが，流れが早くなるにつれて棒状ミセルの出現，さらに棒状ミセルが引き伸ばされることによって，粘度の増加が観察された．
  さらに管内壁面の化学的相互作用を変化させた時，親水的な壁面の場合，界面活性剤の濃度にかかわらず流れの速度が速くなるにつれて粘度の減少が見られたが，疎水的な壁面の場合，濃度が低いときにはニュートン流体のような振る舞い，濃度が高いときには粘度増加が観察された．この原因はミセルの破壊と弾性乱流の発生に伴うものだと示唆された．
  また現実により近く，妥当性のある結果を得るためには巨大な系と長時間のシミュレーションを行い，十分な統計量を得ることが必要である．OpenMPやFDPSを使用した高速化コードの開発は引き続き取り組んでいる.
  当初予定していた研究計画通りに進めることができた．トムズ効果のメカニズムを調べるために，まずは２つのパラメータについて詳細に検討できた．さらに結果は投稿論文で発表することができたため，順調に進展している，とした．
  シミュレーションの高速化に関するプログラムコードの開発，特にFDPSフレームワークの導入は引き続き行う予定である．いくつかのパラメータについて，管内流れ下における界面活性剤水溶液の挙動を再現し，粘度挙動を詳細に検討することがが可能となったため，これを踏まえ，抵抗低減に関する検討を行い，トムズ効果発現の分子論的な原因を特定する.そのためには，高レイノルズ数における流れを再現する必要がある．現在，計算の効率化のため円管半径を小さく抑えたため，レイノルズ数が小さくなってしまっている．半径をより大きくした大規模なシミュレーションを行い，抵抗低減率を測定し，それとミセルのサイズや形状，棒状ミセルの配向性や伸び，界面活性剤分子の親水性・円管の半径や化学的な相互作用とどのような関係性が見られるかについて検討することを予定して いる.

• 散逸粒子動力学シュミュレーションによるJanusナノ粒子の自己集合形態の予測

  2013年04月

  -

  2015年03月

  電気通信大学, 荒井 規允, 若手研究(B), 未設定

  　研究概要を見る

  ナノ粒子の自己集合は，我々の身の回りの様々な機能性材料の中で用いられている．つまり，自己集合と機能には強い関わりがあると言える．Janus粒子は，粒子表面に2つ以上の異なる性質を持つ（例えば疎水性と親水性を併せ持つ）特殊な粒子で，近年の合成技術の発達によって作成可能となった．本研究では Janusナノ粒子の自己集合構造や自己集合過程を分子シミュレーションによって調べた．その結果，これまで観察されなかった新しい集合構造や相を発見し，また規則的な相が現れるいくつかの条件を特定することができた．

受賞 【 表示 ／ 非表示 】

受賞 【 表示 ／ 非表示 】

• 優秀講演賞

  荒井 規允, 2017年09月, 日本機械学会ソフトマターイノベーション, 散逸粒子動力学法を用いたテレケリックポリマー水溶液のせん断流れ下の振る舞い

• 国際会議論文発表奨励賞

  荒井 規允, 2006年09月, 慶應義塾大学, Dissipative Particle Dynamics of surfactant threadlike micellar solutions

担当授業科目 【 表示 ／ 非表示 】

担当授業科目 【 表示 ／ 非表示 】

• 環境エネルギー科学特論第１

  2024年度

• 計算ソフトマター特論

  2024年度

• 卒業研究

  2024年度

• 機械工学総合実験

  2024年度

• 理工学基礎実験

  2024年度

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担当経験のある授業科目 【 表示 ／ 非表示 】

担当経験のある授業科目 【 表示 ／ 非表示 】

• 物理学実験

  近畿大学

  2014年04月

  -

  2019年03月

  , 

  通年, 学部専門科目, 実習・実験, 専任

• 博士研究

  近畿大学

  2014年04月

  -

  2019年03月

  , 

  通年, 大学院専門科目, 講義, 専任

• 修士研究

  近畿大学

  2014年04月

  -

  2019年03月

  , 

  通年, 大学院専門科目, 講義, 専任

• 卒業研究

  近畿大学

  2014年04月

  -

  2019年03月

  , 

  通年, 学部専門科目, 実習・実験, 専任

• 学際講義(熱・流体分野)

  近畿大学

  2014年04月

  -

  2019年03月

  , 

  春学期, 大学院専門科目, 講義, 専任

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メディア報道 【 表示 ／ 非表示 】

メディア報道 【 表示 ／ 非表示 】

• 界面活性剤を利用したホコリ除去について

  テレビ東京, ヒャッキン, 2018年05月

所属学協会 【 表示 ／ 非表示 】

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• 日本冷凍空調学会, 

  2024年11月

  -

  継続中

• 日本伝熱学会, 

  2018年04月

  -

  継続中

• スマートプロセス学会, 

  2016年04月

  -

  2018年03月

• 日本機械学会, 

  2009年04月

  -

  継続中

• 分子シミュレーション学会, 

  2007年04月

  -

  継続中

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委員歴 【 表示 ／ 非表示 】

委員歴 【 表示 ／ 非表示 】

• 2022年04月

  -

  継続中

  関東支部学生会役員, 日本機械学会

• 2022年04月

  -

  継続中

  共同研究課題審査委員, 学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点

• 2022年04月

  -

  継続中

  スパコン共同利用課題審査委員, 物性研

• 2022年04月

  -

  2024年03月

  事業企画委員会委員, 日本工学会

• 2022年04月

  -

  2022年12月

  第36回数値流体力学シンポジウム副幹事, 日本流体力学会

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